DPP类聚合物结晶成核与生长过程调控

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共轭聚合物由于具有柔性、廉价、可溶液加工和易于大面积加工等优势,在制备有机光电器件上有很大的应用前景,其凝聚态结构是决定器件性能的关键因素。最有利于电荷传输的凝聚态结构要求共轭聚合物沿主链方向形成一维纤维或纳米线。而用于有机太阳能电池的共轭聚合物还要求其纤维宽度可调节至小于10 nm。本论文从共轭聚合物结晶原理出发,通过控制溶液中聚合物构象、结晶过程中成核密度以及生长过程中聚合物链堆叠速度来制备DPP类聚合物纳米线,并调控用于太阳能电池的DPP类聚合物纤维尺寸。主要结论如下:  1.我们通过选用主溶剂:助溶剂体系,控制聚合物在溶液中的构象和成核过程,来制备3,6-bis-(thiophen-2-yl)-N,N-bis(2-decyl-1-tetradecyl)-1,4-dioxo-pyrrolo[3,4-c]pyrrole and thieno[3,2-b]thiophene(DT-PDBT-TT)纳米线。主溶剂为一低沸点良溶剂,而助溶剂由两个溶解性不同的高沸点溶剂混合而成。主溶剂缓慢挥发,当溶液变饱和时,成核过程开始发生。初始溶液中聚合物构象通过选择不同的主溶剂(与主链存在氢键、π-π或无相互作用)和温度来改变。光谱和透射电镜结果显示,三氯乙烯(TCE)为最佳主溶剂,由于其与主链能形成氢键作用,使聚合物链形成更有利于制备纳米线的单分子线团状结构。通过改变邻二氯苯(ODCB)与苯甲醚(AS)比例来得到不同溶解性的助溶剂。结果显示:良的助溶剂(ODCB∶AS=4∶1)导致太多的晶核,形成纤维状结构;而劣的助溶剂(ODCB∶AS=3∶7)导致聚合物聚集,形成大尺寸聚集体。边缘性的助溶剂(ODCB∶AS=1∶1)可以在减少晶核的同时,避免聚合物的聚集,最终形成几十纳米宽,1-2微米长的纳米线。  2.我们通过控制聚合物链的聚集速度,经过均相成核再生长的步骤来制备长的3,6-bis-(thiophen-2-yl)-N,N-bis(2-octyl-1-dodecyl)-1,4-dioxo-pyrrolo[3,4-c]pyrroleand thieno[3,2-b]thiophene(OD-PDBT-TT)纳米线。通过主溶剂缓慢挥发的手段来控制聚合物的聚集速度,溶剂由主溶剂氯仿(CF)和助溶剂ODCB组成。控制CF的挥发速度大约在30μL/h可以保证溶液一直处在饱和状态,聚合物进行缓慢聚集。得到的纳米线宽度在75纳米左右,长度为十几微米。纳米线的密度和长度可以分别通过控制初始溶液的浓度和挥发过程来控制。高浓度的初始溶液得到更高密度的纳米线,同时纳米线的长度也会发生改变。  3.我们通过加入不同的添加剂来调节OD-PDBT-TT:[6,6]-phenyl-C71-butyricacid methyl ester(PC71BM)共混体系薄膜聚合物纤维尺寸。通过降低添加剂对聚合物的溶解性,纤维尺寸可以从65.7 nm调节到14.8 nm。可能原因是由于含低溶解性的添加剂的溶液中,聚合物晶核的数量更多,导致成膜过程中形成更窄的纤维。窄尺寸的互穿网络状纤维结构有利于激子的分离和载流子的传输。导致窄尺寸纤维结构薄膜制备的器件的短路电流(Jsc)和填充因子(FF)更高,最终器件性能从不到1%提高到4.75%。
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